-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einer elektronischen Schaltung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Elektronische Schaltungen mit Leistungsbauelementen, beispielsweise VDMOS-Transistoren, die aus mehreren parallel geschalteten Zellen bestehen, sind bereits bekannt. Diese Zellen werden, von parasitären Effekten durch Metallisierungen abgesehen, elektrisch gleich angesteuert. Die Verlustleistung wird dadurch in etwa homogen über der Fläche des Leistungsbauelements erzeugt, es entsteht auf der Oberfläche des Leistungsbauelements eine heiße Stelle, d. h. ein Punkt mit maximaler Temperatur.
-
Aus der
DD 234 307 A1 ist eine Schaltung zur Regelung eines Stroms in eine Last mittels eines Linearreglers bekannt, bei dem das Stellglied in mehrere parallele Teilstellglieder unterteilt ist, auf die sich der Gesamtstrom aufteilt. Dabei wird jeder Teilstrom durch jeweils einen mit dem zugehörigen Teilstellglied thermisch gekoppelten Steuerglied temperaturabhängig geregelt, so dass die Temperatur aller Teilstellglieder im Wesentlichen gleich bleibt. Der Gesamtstrom bleibt dabei im Wesentlichen konstant. Ähnliche Schaltungen sind auch aus der
EP 14 22 819 A1 , der
US 3,675,114 A sowie der
DD 241 672 bekannt. Darüber hinaus ist aus der
DD 234 307 A1 noch bekannt, Teilstellglieder mit guter Wärmeabführung mit einem stärkeren Teilstrom zu beaufschlagen als solche mit einer schlechten Wärmeabführung. Als Sensoren werden dabei Thermistoren eingesetzt, die mit den Teilstellgliedern thermisch gekoppelt sind.
-
Aus der
JP 07 225 627 AA ist eine Stromspiegelschaltung bekannt, mit deren Hilfe eine Konstantstromquelle für zwei Ströme realisiert ist. Zweck dieser Schaltung ist eine gute Temperaturcharakteristik der Schaltung zu erhalten.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Schaltung mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, den Bereich maximaler Temperatur auf der Oberfläche von beispielsweise Leistungsbauelementen auf größere Flächen zu spreizen und somit auch die Temperatur des Punktes maximaler Temperatur abzusenken. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß durch eine Homogenisierung der Temperaturverteilung die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauelemente erhöht wird bzw. die notwendige Chipfläche reduziert wird durch die Möglichkeit der Verwendung kleinerer Verlustleistungserzeuger, also kleinerer Leistungsbauelemente; dies führt wiederum zu einer IC-Stückkostenreduktion.
-
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltung möglich. Besonders vorteilhaft ist es, für jedes Teilstellglied bzw. für jede Zelle des Leistungsbauelements einen eigenen Temperatursensor vorzusehen. Dadurch wird eine zeitliche Regelung auf eine einheitliche Betriebstemperatur an Stellen ermöglicht, die durch die Plazierung der Temperatursensoren beliebig gewählt werden können, soweit die zur Regelung zur Verfügung stehende Gesamtverlustleistung des Bauelements physikalisch ausreicht und der Sensor örtlich eindeutig der zu regelnden Partition bzw. Zelle am nächsten ist. Es ist möglich, bestimmte Isothermenfronten zur Plazierung temperaturkritischer Schaltungsgruppen neben dem Leistungsbauelement zu erzeugen. Ferner kann die Verteilung der durch die Schaltung vorgegebenen Gesamtverlustleistung auf die einzelnen Partitionen so geregelt werden, daß an vorgegebenen Stellen des Layouts der das Stellglied bzw. das Leistungsbauelement aufweisenden Schaltung die Betriebstemperatur übereinstimmt. Es ist eine zeitliche Unabhängigkeit des räumlichen Verlaufs der Isothermen erzielbar. Dadurch ergibt sich eine größere Auswahl von Layout-Möglichkeiten; bisher war man bei temperaturkritischen Schaltungsgruppen in der Nachbarschaft von Leistungsbauelementen darauf beschränkt, diese Schaltungsgruppen in möglichst großem und gleichem Abstand zu diesen Verlustleistungserzeugern anzuordnen. Vorzugsweise können die isothermen Fronten parallel zu den Chipkanten eingerichtet werden, was das Layout zusätzlich vereinfacht.
-
Zur Neutralisierung von Herstellungstoleranzen bei elektronischen Schaltungen werden vor allem symmetrische Schaltungsgruppen, z. B. Stromspiegel, eingesetzt. Werden solche Schaltungsgruppen in der Nachbarschaft großer Verlustleistungserzeuger, wie beispielsweise Leistungstransistoren, angeordnet, so ist es wichtig darauf zu achten, daß die Bestandteile solcher Schaltungsgruppen mit der gleichen Betriebstemperatur betrieben werden, da bekanntermaßen elektrische Eigenschaften von Halbleiterbauelementen stark temperaturabhängig sind (die Flußspannung einer Diode ist mit 1 bis 2 Millivolt pro Kelvin temperaturabhängig). Gerade für symmetrische Schaltungsgruppen wie Stromspiegel ist daher ein Vorsehen mehrerer Temperatursensoren in der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung vorteilhaft. Dabei werden diese symmetrischen Bauelemente möglichst auf einer Isotherme, also Linie gleicher Temperatur, plaziert. Die Isothermen sind neben dem Stromdurchfluß durch die Teilstellglieder des Stellglieds von der Geometrie, d. h. dem Layout der mit auf dem Chip integrierten Verlustleistungszeuger, also beispielsweise des als Stellglied fungierenden Leistungstransistors, abhängig, ferner vom Betriebszustand der Schaltung, d. h dem zeitlichen Verlauf der erzeugten Verlustleistung. Die Schaltung mit den Temperatursensoren ermöglicht dabei eine transiente Übereinstimmung der Sensortemperaturen, d. h. eine Übereinstimmung der Sensortemperaturen zu jedem Zeitpunkt des Betriebs der Schaltung.
-
Zeichnung
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine elektronische Schaltung mit einem Stellglied, 2 eine Schaltung mit einem mehrere Teilstellglieder aufweisenden Stellglied, 3 eine elektronische Schaltung mit einem VDMOS-Transistor mit 1.536 Zellen als Stellglied, 4 eine elektronische Schaltung mit einem Stellglied, das drei als VDMOS-Transistoren mit 512 Zellen ausgebildete Teilstellglieder aufweist, 5 eine elektronische Schaltung mit den Teilstellgliedern vorgeschalteten einstufigen Emitterschaltungen, 6 zwei Abbildungen mit isothermen Verläufen und 7 ein Diagramm der Zeitabhängigkeit vom Gesamtstrom und von Teilströmen.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt eine elektronische Schaltung mit einem Stellglied 1, beispielsweise einem Transistor, das mit einer Last 2 in Reihe geschaltet ist. Das Stellglied ist ferner mit einem Meßwiderstand 4 in Reihe geschaltet, der seinerseits mit dem Masseanschluß 5 verbunden ist. Eine zeitabhängige Spannungsversorgung 3 ist einerseits mit der Last 2 und andererseits mit Masse verbunden. Ein Spannungsabgriff 7 zwischen dem Stellglied 1 und dem Meßwiderstand 4 ist mit einer Regelschaltung 6 verbunden, die über einen Regelpfad 8 mit der Regelschaltung 6 verbunden ist.
-
Der Strom durch die Last 2 wird durch den Meßwiderstand 4 in ein Potential transformiert. Die Regelschaltung 6 regelt das Stellglied 1 so, daß das Potential am Spannungsabgriff 7 und somit der Laststrom einen vorgegebenen Wert einnimmt. Die Last 2 ist nicht mit auf dem Chip integriert; Verlustleistungserzeuger auf dem Chip, auf dem die Regelschaltung 6, der Meßwiderstand 4 und das Stellglied 1 integriert sind, ist insbesondere das Stellglied. Große Ströme durch die Last 2 erfordern somit große Stellglieder, die den Laststrom verlustarm schalten können.
-
2 zeigt eine elektronische Schaltung mit einem Stellglied, das ein erstes Teilstellglied 20, ein zweites Teilstellglied 21 und ein weiteres Teilstellglied 22 aufweist. Diese Teilstellglieder sind parallel geschaltet und im übrigen analog zu 1 mit dem Meßwiderstand 4, der Spannungsversorgung 3 und der Last 2 verschaltet. Die Regelschaltung 6 ist über ein Regelpfad 8 mit temperaturabhängigen Steuergliedern 30, 31, 32 elektrisch verbunden, wobei das erste temperaturabhängige Steuerglied 30 über einen ersten Teilregelpfad 50 mit dem ersten Teilstellglied 20 verbunden ist, das zweite temperaturabhängige Steuerglied 31 über einen zweiten Teilregelpfad 51 mit dem zweiten Teilstellglied 21 und das weitere temperaturabhängige Steuerglied 32 über den weiteren Teilregelpfad 52 mit dem weiteren Teilstellglied 22 verbunden ist. Dabei weisen die temperaturabhängigen Steuerglieder jeweils einen Temperatursensor 25, 26 bzw. 27 auf, der über eine thermische Kopplung 34, 35 bzw. 36 mit dem jeweils zugeordneten Teilstellglied in Verbindung steht.
-
Das in 1 vorgestellte Stellglied 1, ein Leistungsbauelement, das für die Erzeugung parasitärer Verlustleistung verantwortlich ist, wird in 2 partitioniert, d. h. in mehrere kleine Verlusleistungserzeuger aufgeteilt, die zusammen das gleiche elektrische Verhalten aufweisen, wie das einzelne Stellglied 1 in 1. Dieses geschieht durch elektrisches dreifaches (allgemein n-faches) Parallelschalten der dreifach (n-fach) kleineren Partitionen. Die einzelnen Teilstellglieder 20, 21, 22 werden abhängig von ihrer Betriebstemperatur, die durch neben oder auf der Oberfläche der einzelnen Teilstellglieder plazierten Temperatursensoren gemessen wird, so geregelt, daß die Temperatur aller Sensoren zu jedem Zeitpunkt übereinstimmt. Da der Gesamtstrom durch die Regelschaltung 6 auf einen gewünschten Sollwert geregelt wird, wird durch die temperaturabhängigen Regelungen der Teilstellglieder mittels der temperaturabhängigen Steuerglieder 30, 31 bzw. 32 über die Teilregelpfade 50, 51 bzw. 52 die Gesamtverlustleistung auf die einzelnen Teilstellglieder so aufgeteilt, daß die Partition mit der schlechtesten Wärmeabführung den geringsten Stromanteil zugewiesen bekommt, während die Partition mit der besten Wärmeabführung den größten Strom führt. Dabei wird nicht wie im herkömmlichen Sinne auf eine absolute Temperatur geregelt, Regelziel ist vielmehr die transiente Übereinstimmung der Sensortemperaturen, d. h. ihre Übereinstimmung zu jedem Zeitpunkt des Betriebs des Stellglieds.
-
3 zeigt eine Schaltung mit einem Aufbau nach 1, wobei das Stellglied 1 durch einen n-Kanal VDMOS-Leistungstransistor mit 1536 Zellen gebildet wird. Die Regelschaltung 6 weist p-Kanal-MOSFET-Transistoren 63, 64, 65, eine Spannungsquelle 60, eine Referenzstromquelle 61 sowie zwei Bipolar-Transistoren 90 und 91 auf. Die Source-Anschlüsse der Transistoren 63, 64 und 65 sind mit dem Pluspol der Spannungsquelle 60 verbunden, ebenso deren Backgate-Anschlüsse. Der Minuspol der Spannungsversorgung ist mit dem Masseanschluß 5 verbunden. Der Drain-Anschluß ist mit der Referenzstromquelle 61 verbunden, die wiederum mit ihrem zweiten Pol mit Masse verbunden ist. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 63 und 64 sind miteinander sowie mit dem Drain-Anschluß des Transistors 63 verbunden. Der Gate-Anschluß des Transistors 65 ist ebenfalls mit dem Drain-Anschluß des Transistors 63 verbunden. Die Drain-Anschlüsse der Transistoren 64 und 65 sind mit dem Kollektor des npn-Bipolar-Transistors 90 bzw. 91 verbunden. Dabei wird die Verbindung zwischen dem Drain-Anschluß des Transistors 64 und dem Kollektor-Anschluß des Bipolar-Transistors 90 als Ausgangsstrompfad 81 und die entsprechende Verbindung zwischen Transistor 65 und Transistor 91 als Ausgangsstrompfad 82 bezeichnet. Die Verbindung zwischen dem Kollektor des Transistors 91 und dem Gate des Leistungstransistors 1 bildet den Regelpfad 8. Die Verbindung des Emitters des Transistors 90 mit dem Meßwiderstand 4 bildet den Spannungsabgriff 7. Die Basis des Transistors 90 ist mit seinem Kollektor elektrisch verbunden, ebenso mit der Basis des Transistors 90. Der Emitter des Transistors 91 ist mit dem Masseanschluß 5 verbunden.
-
Der Strom durch die Last 2 wird wie in 1 durch den Spannungsabfall am Meßwiderstand 4 gemessen. Soll der Strom durch die Last auf 1 Ampere geregelt werden, so ergibt sich aus dem Produkt von Laststrom und Spannungsabfall am Leistungstransistor 1 nach der Einschwingzeit der Schaltung eine Verlustleistung des Steuerglieds 1 von ca. 9 Watt. Dabei wird eine Drain-Spannung der Spannungsversorgung 3 von 10 Volt, ein Lastwiderstand von einem Ohm und ein Meßwiderstand 4 mit einem Wert von 42 Milliohm angenommen. Im eingeschwungenen Zustand gilt für das Produkt aus Laststrom und Meßwiderstand eine ungefähre Gleichheit mit dem Produkt aus der Thermospannung kT (dividiert durch e) mit dem natürlichen Logarithmus des Verhältnisses n der Emitterzahlen zwischen den Bipolar-Transistoren 90 und 91 (im gezeigten Ausführungsbeispiel ist n = 5). Nimmt man eine Zunahme des Laststroms über ein Ampere an, so wird das Basispotential des Transistors 90, der in einem Stromspiegel als Stromvorgeber arbeitet, erhöht und somit der Transistor 91 aufgesteuert. Dies führt zu einem Absenken des Kollektor-Potentials des Transistors 91 und somit des Potentials des Regelpfades 8, wodurch der Stromfluß durch den Leistungstransistor 1 wieder abnimmt.
-
4 zeigt eine elektronische Schaltung mit einem Stellglied, das aus drei Partitionen, d. h. aus drei Teilstellgliedern 20, 21 bzw. 22 besteht, wobei jedes Teilstellglied durch einen VDMOS-Transistor mit 512 Zellen gebildet wird. Gleiche Schaltungsbestandteile wie in der Schaltung der 3 sind mit gleichem Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben. Zwischen dem Gate jedes Teiltransistors 20, 21 bzw. 22 und dem Regelpfad 8 ist eine zweistufige bipolare Emitterschaltung 92, 93 bzw. 94, 95 bzw. 96, 97 angeordnet. Dabei ist die Basis des Transistors 92 mit dem Regelpfad 8 elektrisch verbunden, der Emitter des Transistors 92 ist mit Masse verbunden, die Basis des Transistors 93 ist mit dem Kollektor des Transistors 92 verbunden, der Emitter des Transistors 93 ist mit Masse verbunden und der Kollektor des Transistors 93 ist mit dem Gate-Anschluß des Teiltransistors 20 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 92 bzw. 93 sind mit dem Drain-Anschlüssen der Transistoren 66 bzw. 67 elektrisch verbunden. Die restlichen Anschlüsse der Transistoren 66 und 67 sind analog zu den Transistoren 64 und 65 verdrahtet. Die Transistoren 92 und 93, als zweistufige bipolare Emitterschaltung ausgebildet, stellen das erste temperaturabhängige Steuerglied 30 dar. Analog wird durch die Transistoren 94 und 95 das zweite temperaturabhängige Steuerglied und durch die Transistoren 96 und 97 ein weiteres temperaturabhängiges Steuerglied 32 gebildet. Transistoren 68 und 69 bzw. 70 und 71 sind in analoger Weise zu den Transistoren 66 und 67 verdrahtet und dem entsprechenden temperaturabhängigen Steuergliedern 31 bzw. 32 zugeordnet.
-
Die Aufteilung der Gesamtverlustleistung des Stellglieds auf die einzelnen parallel geschalteten Teilstellglieder wird durch eine zweite Regelung innerhalb der den einzelnen Partitionen zugeordneten Zweigen vorgenommen, also durch die temperaturabhängigen Steuerglieder 30, 31 bzw. 32. Die Gesamtverlustleistung und Funktion der Schaltung werden dadurch nicht beeinflußt, eventuell muß, durch das Einfügen der zweiten Regelung bedingt, lediglich der Arbeitspunkt der ersten Regelung einmalig neu eingestellt werden. Die zweite Regelung stellt im Idealfall eine temperaturabhängige Spannungsquelle dar, die vor das Gate des jeweiligen Teiltransistors geschaltet ist. Da bei Ansteigen der Temperatur einer Partition der entsprechende Teiltransistor den Strom zurückfahren muß, um dadurch mit einer geringeren Verlustleistung den Temperaturanstieg wieder auszuregeln, muß eine Regelung vorgeschaltet werden, die mit steigender Temperatur das entsprechende Gate-Potential des entsprechenden n-Kanal-VDMOS-Teiltransistors absenkt. Der Temperatursensor 25 des ersten temperaturabhängigen Steuerglieds 30 wird durch den Bipolar-Transistor 93 gebildet, dessen Flußspannung temperaturabhängig ist und dessen Basisemitterstrecke mit dem Teiltransistor 20 thermisch gekoppelt ist. Analog gilt dies für die Steuerglieder 31 und 32 sowie die entsprechend zugeordneten Temperatursensoren 26 und 27, die durch die Transistoren 95 und 97 gebildet werden. Die Transistoren 93, 95 und 97 werden möglichst nahe den jeweilig zugehörigen zu regelnden Teiltransistoren 20, 21 bzw. 22 plaziert. Nimmt die Temperatur des Teiltransistors 22 zu, so reagiert der Bipolar-Transistor 97 mit einem Absinken der Basisemitterdurchlaßspannung. Bei vorgegebenem Basispotential macht der Transistor mit zunehmender Temperatur auf, d. h. der Kollektor-Strom nimmt zu. Der Strom wird durch den Stromspiegel, bestehend aus den Transistoren 63 und 71, vorgegeben, als Folge nimmt das Kollektor-Potential des Transistors 97 und somit das Gate-Potential des Teiltransistors 22 ab. Der Teiltransistor 22 führt daraufhin weniger Strom, erzeugt also weniger Verlustleistung, was der Temperaturzunahme entgegenwirkt.
-
Der Gesamtstrom und somit die gesamte Verlustleistung werden durch die Regelschaltung 6 geregelt, die temperaturabhängigen Steuerglieder 30, 31 bzw. 32 teilen die Verlustleistung nur anteilig auf und zwar so, daß an den Stellen, an denen die Sensoren, also die Basisemitterstrecken der Transistoren 93, 95 und 97, plaziert werden, zu jedem Zeitpunkt idealerweise exakt die gleiche Temperatur anliegt. Nimmt dabei der Strom in einem der Teilstrompfade ab, so registriert dies die Regelschaltung 6 über einen kurzzeitigen Spannungsabfall an Meßwiderstand 4 und regelt den Gesamtstrom durch Ansteuerung der Steuerglieder 30, 31 und 32 über den Regelpfad 8 entsprechend nach.
-
5 zeigt eine elektronische Schaltung mit den Teilstellgliedern 20, 21 und 22, wobei die temperaturabhängigen Steuerglieder 30, 31 bzw. 32 als einstufige bipolare Emitterschaltung mit dem Transistor 93, 95 bzw. 97 ausgebildet sind. Gleiche Schaltungsbestandteile werden wie zuvor schon mit gleichem Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben. Im Gegensatz zur 4 ist in 5 der Meßwiderstand 4 mit dem Emitter des Bipolartransistors 91 verbunden. Der Bipolartransistor 93 ist mit seiner Basis mit dem Kollektor des Bipolartransistors 91 verbunden, der Kollektor des Bipolar-Transistors 93 ist mit dem Gate-Anschluß des Teiltransistors 20 verbunden, während der Emitter des Transistors 93 auf Massepotential liegt. Die Bipolar-Transistoren 95 und 97 sind analog zum Bipolar-Transistor 93 mit dem jeweiligen Teiltransistor 21 bzw. 22 verschaltet. Die Transistoren 67, 69 und 71 sind ebenso wie in 4 verschaltet, es fehlen jedoch im Vergleich zu 4 die Transistoren 66, 68 und 70, da aufgrund des einstufigen Aufbaus der temperaturabhängigen Steuerglieder auch kein Transistor 92, 94 bzw. 96 wie in 4 dargestellt benötigt wird.
-
Im Ausführungsbeispiel nach 4 werden durch die zweistufigen Emitterschaltungen pro Teiltransistor vier zusätzliche Bauelemente benötigt, beispielsweise beim Teiltransistor 20, die Transistoren 66, 67, 92 und 93. Der dadurch entstehende zusätzliche Flächenbedarf ist im Vergleich zum vom Leistungsbauelement benötigten Platz vernachlässigbar gering. In einem weiteren Schritt kann man die Anzahl zusätzlich benötigter Bauelemente jedoch halbieren, indem man, wie in 5 dargestellt, nur eine einstufige, invertierende Emitterschaltung jedem Teilstellglied vorschaltet. Dem Gegenkopplungsverhalten der Gesamtregelung der Schaltung wird dadurch Rechnung getragen, daß die Regelschaltung 6 ebenfalls invertiert aufgebaut wird. Dies geschieht durch Versetzen des Meßwiderstands 4 in den Zweig des Bipolar-Transistors 91 im Vergleich zur Schaltung der 4, nebst zugehöriger Anpassung der Emitterzahlen der Transistoren 90 und 91. Die Regelschaltung 6 regelt jetzt praktisch in die „falsche” Richtung, wird aber durch die invertierenden Emitterschaltungen der temperaturabhängigen Steuerglieder 30, 31 bzw. 32, die durch die Transistoren 93, 95 bzw. 97 gebildet werden, wieder ausgeglichen.
-
6 zeigt Isothermenfelder 102, 103, die mit einem Simulationsrechner erstellt worden sind. Diese Isothermenfelder geben den Verlauf von Linien konstanter Temperatur auf der Oberfläche eines Chips 180 wieder, der im oberen Bereich der 6a entlang der oberen Kante des Chips 180 den Leistungstransistor 1 aus 3 aufweist. Dargestellt sind Isothermen hoher Temperatur 105, Isothermen mittlerer Temperatur 106 und Isothermen niedriger Temperatur 107. Dazwischen verlaufen weitere Isothermen, die die Temperaturabstufungen auf der Oberfläche des Chips 180 verdeutlichen. Knicke und Ecken im Isothermenverlauf sind durch das Gitter des verwendeten elektrothermischen Simulators begründet.
-
Man erkennt eine deutliche Zunahme der Temperatur zu einem Gebiet hoher Temperatur, der einem „spitzen Gebirge” gleicht. Die Isothermen entlang der unteren Kante der Endstufe sind gebogen und sollen durch eine Partitionierung des Leistungstransistors „begradigt” werden.
-
6b zeigt das Isothermenfeld 103 auf der Oberfläche eines Chips, der in seinem oberen Bereich einen partitionierten Leistungstransistor aufweist. Im gezeigten Beispiel weist der Transistor 7 Partitionen auf, wobei die Partitionsbereiche, in denen die Partitionen des Leistungstransistors angeordnet sind, mit Bezugszeichen 200, 210, 220 und 230 gekennzeichnet sind. Dabei ist im ersten Bereich 200 das erste Teilstellglied 20, im zweiten Bereich 210 das zweite Teilstellglied 21, im weiteren Bereich 220 das weitere Teilstellglied 22 und in den Bereichen 230 vier weitere Teilstellglieder angeordnet. In diesen Bereichen befindet sich die jeweilige Partition des Leistungstransistors entlang der oberen Kante des Chips 180. Durch die Partitionierung in 7 Partitionen und den Einsatz einer elektronischen Schaltung analog zur Schaltung nach 4, deren Bestandteile im unteren Bereich des Chips 180 angeordnet sind, werden die Isothermen entlang der unteren Kante des in 7 Partitionen aufgeteilten Leistungstransistors, wo auch die Temperatursensoren der den einzelnen Partitionen zugeordneten temperaturabhängigen Steuerglieder plaziert sind, ausgerichtet. Ferner erfolgt eine Homogenisierung des Isothermenverlaufs, also eine Abflachung des vorgenannten „Gebirges”. Der Temperaturunterschied zwischen den Isothermen 105 und 107 in 6b ist dabei ein kleinerer als der zwischen den Isothermen 105 und 107 in 6a. Je mehr Partitionen und Temperatursensoren angeordnet sind, um so mehr entspricht man dem Ideal eines geraden Isothermenverlaufs parallel zur oberen und unteren Chipkante.
-
7 zeigt die Zeitabhängigkeit verschiedener Ströme. Dargestellt ist der Zeitverlauf 110 des Gesamtstroms sowie mit den Kurven 140, 120, 130 und 150 der Zeitverlauf der Teilströme durch die Teilstellglieder 20 bis 22. Dabei wird von einer zweistufigen Temperaturregelung mit drei Partitionen nach 4 ausgegangen. Werden die den Steuergliedern 30 und 32 zugeordneten Temperatursensoren 25 und 27 am unteren, linken bzw. rechten Rand der Teilstellglieder 20 und 22 angeordnet, so ergeben sich für die Teilströme durch die Teilstellglieder 20 bzw. 22 der Verlauf 140 und für den Strom durch das zwischen den Teilstellgliedern 20 und 22 liegende Teilstellglied 21 der Verlauf 150. Werden die Sensoren mittig am unteren Rand der Partitionen des Leistungstransistors angeordnet, so ergibt sich für die Teilströme durch das Teilstellglied 20 bzw. 22 der Verlauf 120 und für den Strom durch das Teilstellglied 21 der Verlauf 130.
-
Erkennbar ist der transiente Verlauf der temperaturabhängigen Regelung der Stromverteilung zwischen den Partitionen. Der Gesamtstrom ist gemäß der Kurve 110 nach ca. 2 Millisekunden auf 0,98 Ampere eingeregelt. Die Abweichung von einem Ampere von 2% kommt durch den Basisstrom der Transistoren 92, 94 und 96 zustande und kann durch eine Verkleinerung des Meßwiderstands korrigiert werden. Die thermische Zeitkonstante ist wesentlich größer als 2 Millisekunden: erst nach ca. 15 Millisekunden ist die Aufstellung des Stromes auf die Teilstellglieder 20, 21 bzw. 22 stabil. Teilstellglied 20 und 22 weisen aus Symmetriegründen exakt die gleichen Werte auf. Man erkennt, daß der Strom, der dem mittleren Teilstellglied zugeordnet ist, deutlich nach unten geregelt wird und somit die Verlustleistung dieses Teilstellglieds abnimmt, während die äußeren Teilstellglieder eine Stromerhöhung verzeichnen. Wichtig ist, daß die thermische große Zeitkonstante von der Gesamtstromregelung entkoppelt ist und somit das transiente elektrische Gesamtverhalten nicht beeinflußt. (Regelüberschwinger im zeitlichen Verlauf 110 des Gesamtstroms, wie sie bei unpartitionierten Leistungstransistoren üblich sind, werden durch den Einsatz der partitionierten Temperaturregelung abgeschwächt.) Wie aus 7 erkennbar ist, ist bei mittiger Anordnung der Temperatursensoren der Unterschied zwischen den Teilströmen 120 und 130 kleiner als bei einer randständigen Anordnung der Sensoren. Dadurch wird zwischen den Sensoren eine homogenere Temperaturverteilung erreicht, als die einer randständigen Anordnung mit nur 3 Partitionen der Fall wäre. Eine Vergrößerung des Homogenitätsbereichs erreicht man durch eine höhere Partitionierungsdichte. In temperaturkritischen Schaltungen kann ein stärkeres Absinken der Maximaltemperatur auf dem Chip durch zentrale mittige Sensoranordnungen vorteilhaft sein.
